Статья по теме: Поверхности разрушения

Предметная область: полимеры, синтетические волокна, каучук, резина

Скачать полный текст

Несомненно, что вид поверхности разрушения является наиболее убедительным свидетельством того, что процесс разрушения достиг фазы неоднородного деформирования. Но гораздо чаще поверхность и морфологическая структура ослабленного образца позволяют выяснить, внесла ли фаза однородного деформирования материала вклад в процесс разрушения или нет. Именно по этой причине раздел по фрактографии был введен в главу, посвященную однородному деформированию и разрушению. Рис. 7.8 и 7.9 служат для иллюстрации этого положения. Представленные на этих рисунках поверхности разрушения являются более или менее произвольным результатом большого числа однородно распределенных разрывов и завершившихся процессов проскальзывания цепей и микрофибрилл. Поверхность разрушения образовалась в течение[1, С.263]

Особенности макроскопической картины поверхности разрушения, показанной на рис. 9.16, могут быть обусловлены распространением трещины, вызывающей расщепление материала, с высокой скоростью перпендикулярно направлению действия локального растягивающего напряжения. Поле локальных напряжений испытывает сильное влияние упругих волн, возбуждаемых на более ранних стадиях развития трещины, и процесса возникновения вторичных трещин. Поверхность разрушения получена путем изгиба надрезанного образца ПЭ при температуре жидкого азота [130]. Поверхность локально гладкая, но в то же время содержит ступеньки и складки. Пересечение волновых фронтов и плоскостей трещин под различными (например, прямыми) углами вызывает образование любопытных кар-[1, С.390]

В связи с изучением зависимости энергии поверхности разрушения от скорости нагружения следует напомнить о первых широких применениях испытания на раздир (метод III) (например, [5, 23—28]). При таком виде разрушения материал в области вершины трещины испытывает сложное в значительной степени пластическое деформирование. Не вдаваясь в подробности, "можно отметить, что скорость влияет на степень пластического деформирования (а следовательно, и на поверхность разрушения или энергию раздира) [23—29]. Это влияние связано с максимумами |3- и у-релаксации [5, 23—26]. Как правило, энергии раздира термопластов и каучуков довольно велики, например, для ПС энергия раздира 1 кДж/м2, для ПЭ 20—200 кДж/м2, а для различных сополимеров бутадиена 0,1—500 кДж/м2 [24—26]. Относительно эластомеров Томас [27], а также Ахагон и Джент [28] сообщают, что после введения поправки, учитывающей изменение эффективной площади разрушения, для различных условий эксперимента можно получить общее пороговое значение энергии разрушения То, равное 40—80 Дж/м2. Показано, что данная энергия не зависит от температуры и степени набухания в различных жидкостях. Пороговая энергия незначительно убывала с увеличением степени сшивки (образцов полибутадиена). В агрессивной среде (кислород, озон) Т0 существенно уменьшается.[1, С.357]

Хендус и Пензел [83] исследовали морфологию разрушения одиночного волокна ПА-6. Обычно закрученные и вытянутые одиночные волокна были затем испытаны на растяжение при различных скоростях деформации. Характерные поверхности разрушения воспроизведены на рис. 8.20 и 8.21 [84]. При малых скоростях деформации (е = 0,033 (г1) часто получаются v-образные надрывы (рис. 8.20). Подобные надрывы образуются благодаря трещине, которая 'начинается в виде дефекта или неоднородности материала, расположенной на поверхности волокна или вблизи нее. В то время как трещина медленно растет, незатронутое ею поперечное сечение волокна продолжает пластично деформироваться. В момент, определяемый размерами трещины и незатронутого поперечного сечения волокна и свойствами самого материала, происходит быстрое распространение трещины поперек волокна. Экспериментально определенная прочность одиночного волокна тем выше, чем меньше v-образный надрыв [83]. Волокна с наивысшей прочностью содержали едва видимые небольшие пустоты.[1, С.264]

Характерное поведение хрупких полимеров при ударе удобно представить на примере полистирола. Рамштайнер [105] совсем недавно провел калиброванное испытание на удар на стандартных брусках полистирола. Обследование разрушенных образцов показало, что образцы ослаблены вследствие быстрого распространения трещины, образующейся в зоне растяжения с более или менее значительными трещинами серебра. Длина самой большой трещины серебра обычно совпадает с длиной зеркальной зоны поверхности разрушения. Кривые сила—отклонение, полученные путем такого калиброванного испытания на удар, выявляют слабонелинейный рост нагрузки в течение 1 мс, за которым следует резкое падение до нуля менее чем за 50 мкс (рис. 8.24).[1, С.271]

Образование макрорадикалов при механическом разрушении полимеров впервые было обнаружено в 1959 г. [4—6]. С тех пор натуральные и синтетические органические материалы достаточно систематически исследовались в отношении образования свободных механорадикалов (см., например, монографию Рэнби и Рабека [2] и обзорные статьи Бутягина и др. [7], Кауша [8], Сома и др. [64]). Вследствие ограниченной чувствительности ЭПР-спектрометров первые эксперименты были выполнены на измельченных полимерах, которые имеют высокое значение отношения поверхности разрушения к объему и, следовательно, сравнительно большой сигнал ЭПР.[1, С.164]

ПА-6 в спектр кислотных радикалов Бекман и Деври установили, что 50 % всех «повреждений» происходят в слое толщиной менее 0,6 мкм от поверхности. Оставшиеся 50 % цепных радикалов получены на глубине до 3 мкм от поверхности. С учетом морфологии деградирующих полимеров, механики процесса измельчения и подвижности первичных свободных радикалов можно представить пространственное распределение вторичных радикалов. В данном случае с точки зрения прочности кристалла, по-видимому, маловероятно вытягивание и разрыв отдельных цепей ПА. Как уже рассматривалось в гл. 5, цепь ПА-6, уложенная в кристаллите более чем на 1,7 нм своей длины, будет скорее разрываться, чем вытягиваться из кристаллита. Вытягивание из поверхности разрушения целых микрофибрилл будет происходить с весьма большой вероятностью и сопровождаться разрушением межфибриллярных проходных цепей с образованием повреждений в поверхностном слое на глубине до 1 мкм. Это особенно важно для сильной пластической деформации материала перед растущей поверхностью разрушения. Перемещение свободных радикалов, конечно, вносит свой вклад в углубление слоя со следами повреждения. Тем не менее глубины поврежденного слоя, полученные в подобных экспериментах, действительно совпадают с нижними пределами размеров частиц, получаемых при механическом повреждении материала. Это свидетельствует о том, что повреждения могут вызываться механически вплоть до указанных -выше глубин.[1, С.209]

Третий вариант объяснения данных, полученных при ступенчатых деформационных испытаниях, предложили Крист и Петерлин [9]. Они предположили для любого из упомянутых выше экспериментов существование неравномерного распределения деформаций вследствие различия длин нескольких тысяч одновременно напряженных волокон. Эффект неравных длин волокон, несомненно, расширяет имеющиеся распределения относительных длин цепей. Но преждевременные разрушения отдельных волокон и образование поверхностей их разрушения нельзя объяснить числом образовавшихся свободных радикалов. Чтобы в дальнейшем выяснить этот вопрос, Хассель и Деври исследовали свободные радикалы, образованные при деформировании ленты материала найлон-66 с высокоориентированными волокнами [10]. Они получили аналогичные гистограммы, которые оказались даже более широкими по сравнению с пучками волокна найлона-66. На микрофотографии поверхности разрушения ленточного материала, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа, показано, что в ленте, как и в нити, дефекты образуются по всему объему напряженного образца (рис. 7.8 и 7.9). Полученная поверхность разрушения проходит вдоль направления наименьшего сопротивления через ранее образовавшиеся дефектные зоны. Лишь при приближении к значению разрушающей деформации становится заметным различие между деформированием одиночного волокна и пучка волокон. Статистическое объяснение данного факта приведено в гл. 3.[1, С.196]

Несколько иная двухфазная система с сильными связями на границах фаз получена на основе трехблочных сополимеров типа бутадиен-стирольного сополимера. Как показано в гл. 2, молекула такого сополимера состоит из твердых концевых блоков (стирол), соединенных центральными эластомерными блоками (бутадиен). Блоки стирола накапливаются и образуют небольшие домены, которые выполняют роль сшивок, вызывая резине/подобную эластичность блочного сополимера при температурах окружающей среды и обусловливают пластическую деформацию при высоких температурах. Для выяснения механизма разрушения таких систем было бы полезно определить, в какой из фаз чаще всего происходит разрыв молекулярной цепи. Прямые пути решения данной задачи заключались бы в разрушении материала и анализе сверхтонкой структуры образующихся в результате спектров ЭПР. Однако в интервале температур от температуры жидкого азота до комнатной температуры деформирование растяжением не вызывает накопления свободных радикалов в количестве, достаточном для их обнаружения. Вследствие этого Деври, Ройланс и Уильяме [36] использовали менее убедительный, но более доступный метод сравнения спектра бутадиен-стирольных блочных сополимеров (SBS) с отдельными спектрами стирола и бутадиена. Эти исследования были выполнены при температуре жидкого азота путем измельчения материала с целью увеличения поверхности разрушения. При низкой температуре радикалы становились более стабильными и, по-видимому, «замораживались» на стадии первичных радикалов. Сравнение спектров трех материалов показало, что спектр SBS содержал все линии радикала бутадиена, но не содержал линий радикала стирола. Поэтому радикал системы SBS был отнесен к фазе бутадиена. К сожалению, в данных исследованиях не удалось выяснить, был ли радикал, полученный при измельчении в условиях низких температур, тем же самым, что и образовавшийся в нормальных условиях при комнатной температуре, и являлся ли обнаруженный радикал первичным или вторичным.[1, С.219]

Первая система характеризуется очень слабым взаимодействием между наполнителем и матрицей, последняя — очень сильным взаимодействием, а остальные две — промежуточным по силе взаимодействием. Все системы были исследованы в температурной области I (170—200 К), в которой в ненаполненном каучуке при его деформировании растяжением без предварительной ориентации не образуются свободные радикалы. Однако три (из четырех) наполненные системы ведут себя по-разному. Обнаружено, что эластомер, наполненный необработанным стеклом, разрушался без образования заметного количества свободных радикалов; разрушение каучуков, наполненных стеклом, обработанным силаном, и NaCl, происходило с легко регистрируемыми концентрациями радикалов (3,21-1014 спин/см3). В системе, наполненной кремнием, при некоторых температурах и скоростях деформации образовывалось значительна больше свободных радикалов, чем при наполнении NaCl или обработанным стеклом (7,86-1014 спин/см3). В своей докторской диссертации Уайлд [35] проводит детальное сравнение фотографий, полученных на сканирующем электронном микроскопе, с результатами исследований методом ЭПР. На фотографиях видно, что при комнатной температуре начинается выпотевание системы с необработанным стеклом при деформациях менее 10—20%, в системах с обработанными стеклянными сферами и наполнением NaCl выпотевание происходит при деформациях 50—100%, в системе, наполненной кремнием, при деформациях выше 200%. На полученных таким образом микрофотографиях поверхностей разрушения в интервале температур 150—300 К были обнаружены некоторые особенности: 1. Необработанные стеклянные сферические частицы располагались, по существу, свободно в «гладких» полостях или пустотах на поверхности разрушения. 2. Стекло с обработанными поверхностями и NaCl вели себя подобно необработанному свеклу, за исключением того, что в данном случае полости б\>1ли настолько гладкие, что остатки материала прилипали к !частицам наполнителя. 3. Частицы кремния были[1, С.218]

Фрактография, т. е. исследование морфологии поверхности разрушения, является очевидным способом выявления природы трещины и типа ее распространения. В настоящей монографии в соответствующих разделах уже анализировались поверхности разрушения волокна (разд. 8.1.7) и других видов образцов. В данном разделе необходимо дать некоторые пояснения, особенно по поводу влияния длины цепи и межмолекулярного притяжения на морфологию поверхности разрушения.[1, С.390]

... отрезано, скачайте архив с полным текстом ! Полный текст статьи здесь